图形电镀铜层厚度的均匀性（一）
【摘要】要获得精细导线PCB的蚀刻的高质量其关键因素就是确保镀铜厚度图形表面的均匀性。现就为达到良好的图形电镀厚度的方法的进行讨论。现将BGA的图形分隔成小部分面积和活化致密的面积。在BGA图形的电流分布是通过拉普拉斯方程式和精密的伏特计装置解决数值的模拟分析来解决。这种模拟方法测定电流密度分布是很有效的，而决定的因素却是图形密度和电镀溶液导电度。为获得镀层的均匀性，通过设置辅助凸状电极在每个BGA图形的边缘，辅助凸状电极吸收电流有助于集中于分散图形。这种图形的一般位置是在接近放置在BGA图形的边缘，于是采用辅助凸状电极，使电流集中稀少分散图形，使接近BGA图形边缘电流减少。电流分布是通过辅助凸状电极距离和高度而变化的。采用或选择最隹的辅助凸状电极位置变化，其厚度层的最小误差可以达到3.37% 。
1. 绪言
近年来由于电子设备的多功能化，电子设备的封装技术的迅速变化，使其向着高密化、小型化的方向飞速发展。半导体的插脚的数增加，BGA（Ball Grid Array）基板上的封装方式就有了很大的变化，由于BGA基板图形的导线的精细化要求，其布线的节距达到40μm以下，要形成这样精细的导线的，就需要采用铜箔蚀刻即采用减成法工艺或加成法工艺来实现的。加成法就是在基板上采用阴极真空溅射技术或化学沉积铜工艺形成薄的金属镀层，然后采用图形转移工艺覆盖膜制成所需要的电路图形，然后再进行电镀，使图形暴露部分进行电镀加厚（即图形电镀工艺），退除膜后即可以在极短的时间完成蚀刻，精细电路图形形成。因此，由于采用加成工艺方法采用差蚀法蚀铜量很少，电路图形的精度就比较高，精细导线的形成是很适宜的、可选择的工艺方法。
但尽管这种工艺方法比较理想，但仍然存在着在图形电镀时，由于电路图形的布线密
度有疏密和粗细导致电镀时镀铜厚度的均匀性比较差，因此要求镀层厚度的均匀性是很重要的。因为电路图形导线比较稀的部分电流集中，致使镀层的厚度增加，相反导线密的部分镀层厚度减少，使形成的镀层厚度的均匀性比较差。这样布线密度低的与布线密度高的就会发生厚度差异的问题。为此，采用电流密度分布的数值解析方法来研究此种类型的技术性问题。
图形密度的疏密与镀层厚度不均匀性控制方法，通过实践证明接近理论数值是不可能的。根据研究表明，仿真模拟电流分布并导入有效面积（活性区）密度（ACTIVE-AREA DENSITY）概念，从理论分析图形镀层厚度的均匀性是可能的。需要把握镀液的工艺特性（电传导性）与图形疏密对镀层厚度均匀性变化的影响，合理的调整其方向性，控制镀层厚度均匀性是最实际的手法，也就是说从设计电路图形时候，采用辅助图形，但不作为正式电路图形的一般性的设计手段，最终时还要将辅助图形除去。所以，要获得图形之间的电流密度的均匀分布，关于图形形状因素的考虑和适当的选择，这方面的研究报告是很多的。
本文章的研究就是采用在BGA图形周边部分用网眼状直接交叉的辅助凸状电极的设置方法，以获取镀层厚度均匀性的目的。由于图形的周边的设置的辅助图形与原图形是无关的，根据辅助电极的最适当位置数值进行了分析，从实际的BGA图形上所获得电镀层厚度的均匀性，从报告中看，图形镀层厚度的均匀性达到最小误差3.37%是可能的.
2. 计算方法
基板上的图形电镀，局部布线有时是任意区域进行布置。这些区域内的布线面积与整个面积之比为有效面积密度（ACTIVE-AREA DENSITY）a的定义。这里所指a为任意区域内布线密度的疏密程度表示。
图1aBGA图形电镀的基板状态。它是实际使用的比较典型的样品，用于图形数据分析用。其中白色部分为布线部分，而黑色部分为绝缘部分。BGA图形基板每边长度为35mm的正方形，由布线部分的孔径和布线部分构成。孔径部分（a印制箭头）为每边8mm的正方形，BGA图形基板的中心部位。而BGA图形基板上的孔径部位的周边以放射性状存在。孔径的底部为导体，孔径直径为50μm、深是20μm。根据布线区域的靠近孔径部分布线密度比较高，而BGA图形基板周边部分布线密度比较低。布线部分通过图形转移工艺制作出导线宽度为20μm、厚度为20μm。BGA图形基板周边2mm也存在有布线部分。
这个BGA图形在基板上其上下对称。BGA图形的横方向由中心线分割并垂直于导线，而BGA图形的左右不对称，在左侧有两个四角形与导线隔开，而BGA的右半分封闭线部分作为数值分析。
数据分析是采用简易图形变换作为分析工具Gray Trans ver.1.00用于对图形进行分割.见图1b数据分析部分的分割图形所示。分割区域尽可能少方能对计算有利，当布线的密度的变化少于疏部分时，分割的区域应该大一些，反则如布线密度密的部分，应该分割的区域小些。这个分割区域的结果分割为11个区域。而且每个区域分为2值使用计算机面积测量软件（Area Measure ver.1.00）按照有效面积密度区域法（ACTIVE-AREA DENSITY）要求计算区域内导线面积.
导电度的变化关系（3.1项）除此之外，进行数据分析时，所涉及的各种物理因素的影响需要进行分析。其中有电镀液驵成有0.2MCuSO4·1.8MH2SO4水溶液（ハイスロ－液）物理性能。实际使用的纵型的镀槽，BGA基板上的BGA图形电镀时作为阴极，它与阳极保持一定的距离。这种类型的镀槽模式见图2（A）所示。阴极上BGA图形的中心线是对称的，电流线与电极是垂直相交。所以，这个中心线的绝缘体从区域的左端进行数值分析，另外数值分析区域的右端为绝缘壁。
另外图2（B）所示，BGA图形为阴极的电流密度的均匀性，但这个端部的辅助凸状电极的设置是错误的。绝缘壁和辅助凸状电极之间的设置的长度（Assumed length）有关。图1b的分割区域的中心线上电流分布用计算机软件工具（CELL－DESIGN）进行数值分析。数值分析式是按有效面积密度。
3.1 图形电镀电流分布与电导度的关系
最初的数据计算方法的数据分析，电镀溶液的导电度的变化的发生，尤其是对电流分布的影响。所以，电镀溶液的导电度是影响一次电流分布的因素之一，对镀层厚度的均匀性是很重要的因素。在工业生产中，采用的电镀铜镀液与硫酸的浓度的组成比率决定它的用途。例如，印制板孔金属化工艺采用，高纵横比的孔金属化内壁镀层要求是很严格的，因此所采用的电镀铜溶液中硫酸浓度高和高导电度的镀液组成成份。另外，印制板上盲孔电镀铜时，为提高镀液在孔内的扩散速度，使用比较高的铜浓度的电镀溶液。由于高铜浓度的溶液的溶解度关系，相对硫酸的浓度就比较低，因此导电度也低，对图形电镀铜镀层厚度的均匀性，通过使用经验考虑会更加有利。见表1盲孔电镀用的电镀溶液中铜浓度、硫酸浓度和导电度数据。
见图2（A）辅助凸状电极的模型分析，电镀溶液的导电度对电流分布的影响。当导电度为k=0.16～0.59S/cm范围内，阴极全部的平均电流密度为0.02，0.01A/cm2围内，达到阴极电流分布的技术要求。这个阴极上电流密度分布与（3）式，所要求的误差与导电度关系可见图3所示。导电度大，其电流密度分布就小，误差值就比较低。另外，平均电流密度大其误差也就比较大。该研究所采用的计算方法，对图形电镀的电流密度分布的数值分析是可行的，但必须把握住影响因素对电流密度分布的变化 。
然而，图形的疏密程度减轻对密度分布的影响，如使用镀液的导电度的使用要有限界
（这与图形的形状有关，当平均电流密度0.02A/cm2情况下，镀液的导电度为0.59±12%S/cm,其误差为20%）。因此，一次电流分布的均匀性研发的方法是完全必要的，以此引入和采用辅助凸状电极是获得电流密度分布均匀性工艺方法。
3.2 辅助凸状电极的Y方向与相鄰接间的距离（LY）
目的就是要使基板上BGA图形电流分布的均匀性，考虑到BGA图形群的上部设置网孔状直交形式的辅助凸状电极的，数据分析采用模型（见图4）。采用辅助凸状电极在各个BGA图形基板的周边进行设置形成网状直交形图形。使用此种辅助凸状电极不能损伤基板为前提，基板需离开设置少许距离。距离的Y-方向鄰接之间的距离（LY）。另外，BGA图形端部的辅助凸状电极端距离X-方向鄰接之间的距离（LX）。这两个鄰接之间的距离可能是有变化的。
图5BGA图形端部的一边为a=5 mm的正方形的断面并保持在辅助凸状电极设置的状态下，使BGA图形内的X-方向各个位置电流密度分布。LX的距离相对固定在0mm，而LY有可能是变化的。横轴BGA图形的中心的X-方向的位置上，纵轴表示各个位置的电流密度。如果不采用辅助电极的情况下，布线疏的的BGA图形端部电流集中，相反BGA图形的中心部位x=0mm，电流密度减少（图5，Without auxiliary electrode）然而，BGA图形端部设置有辅助凸状电极时，这个端部（x=17.0 mm）集中的电流密度减少，而中心部位（x= 0mm）时电流密度上升。当LY=1.0 mm时，BGA图形的端部显示出电流为0.0145A/cm2和电流密度减少,中心部位显示出0.0206A/cm2和电流密度增大。一方面当LY为5.0、10、20 mm逐渐增大。BGA图形端部电流密度缓缓增大，另外，BGA图形的中心部位却缓缓减少。然后，LY=10 mm在附近区域时电流密度是最均匀的分布。LY=1.0 mm情况下，BGA图形的端部的电流密度为0.0145A/cm2，当LY=10.0 mm条件下，BGA图形的端部电流密度为0.201A/cm2，此时的BGA图形上的电流密度的分布
是最均匀化。
从图5得知Y-方向的隣接之间的距离（LY）和电流密度和LY关系的误差（式（3）和有关定义）之间的关系正如图6所示。横轴的Y-方向的隣接之间的距离（LY），纵轴为误差。LY=1.0 mm时的图形上的电流密度的误差为42%。当LY 大时，电流密度误差减少，LY =9.0 mm时其电流密度的误差最小值为3.37%。但当LY =9.0 mm数据以上或更大时，电流密度的误差缓缓增大。图7是采用辅助凸状电极时，致使电流密度变化的误差抑制在3.37%。一方面采用辅助凸状电极的条伯下，电流密度的误差约20%左右。当LY向上变化，误差最小时最适合Y－方向隣接间的距离的存在。
图7是辅助电极相近的等电位线和电流线（印有箭头的矢量线）所示。BGA基板的端部a=5 mm的导电体的正方形与制作的辅助电极设置。a在辅助电极设置的条件下，b的辅助凸状电极设置时LY=1.0 mm条件下，c的LY=9.0 mm时的最小误差情况下出现。从a看，电流线对布线密度低的BGA图形的端部比较集中。另外，从b看BGA图形的端部设置有辅助凸状电极，而a的端部所集中的电流被吸收，这样结果端部的电流密度减少。所以，当LY=9.0 mm时，电流密度的分布最均匀化，也是误差最小。辅助凸状电极离基板适当时，图形相近的等电位线（图8c）与基板是平行的。而且，等电位线常与图形的电流线是直交的，就是考虑到电
3.3 辅助凸状电极的x-方向的隣接之间的距离（LX）
图8中的LX的变化条件下表示了最小误差。图形的端部设置a=5 mm正方形的辅助凸状电极。各LX、LY变化的误差最小时所获得的值的要求。横轴为LX、纵轴为图形上电流密度的最小误差值表示。如果人为的将LX变大，其最小误差也会随着增大若干。但是，LY变化见图6所示，其最小误差也会发生显著的变化。
3.4 辅助电极大时（a）
图9 表示辅助电极大（a）时和最小误差的关系。BGA图形端部的正方形的辅助凸状电极的设置，X-方向的隣接之间的距离LX=0 mm。对应的每个a，要求LY可能会有变化时的其误差最小。横轴的辅助电极（a）大时，纵轴的误差最小。见图9所示a值大时，其最小误差小。当a为1.0mm情况下，图形的电流密度误差为8.33% ，达到10.0mm情况下，图形的电流密度误差为3.03%。采用辅助凸状电极后，BGA图形端部所集中的电流被吸收，十分明显。
3.5 辅助电极大时与设置的最合适的位置有关
图10表示（a）将会增大时，采用辅助凸状电极后其LY（最适合的LY，：L0Y的所示）值所能达到的最小误差值。计算条件是：BGA图形端部的正方形的辅助电极的设置，X-方向的隣接之间距离LX=0mm、导电度k=0.166、0.379、0.550（S/cm）时，LY的求的最小误差值。横轴的辅助电极（a）大，纵轴的Y-方向的隣接之间的距离（LY）的最适合的值L0Y。图10中导电度和L0Y一定时，表示镀液的组成与L0Y的关系。另外，获得其经验公式（4）：
L0Y =1.5×a－－－－－－－－－－－－－－－（4）
以上结果相比较，图8中LX的选择对最小误差的影响更为显著，另外图10，采用辅助凸状电极大和最小误差再减少。因此，实现了图形电镀线路采用辅助凸状电极大的的可能性。总之BGA图形和BGA图形之间存在差异，使用比较大的是不行的，因此LY式（4）表中应该考虑选择设置L0Y。
4.结束语
本研究报导,关于加成法工艺电镀镀层厚度均匀化相关数据分析报导。BGA用的图形电镀的基板各个区域内采用有效面积密度区域法（ACTIVE-AREA DENSITY）定义。用普拉斯公式和バトラ－·ボルマ－式 （2）计算数值进行分析的电流密度在BGA图形内的分布。当BGA图形周边设置辅助电极时，图形内的电镀均匀化的情况研究。
（1）BGA图形电镀的基板的端部设置辅助电极，当布线密度疏时BGA图形的端部集中的电流密度将被辅助电极所吸收，其端部的电流密度减少。当电镀液的导电度为0.59S/cm的条件下,采用辅助电极时其电流密度分布误差为20%，使用断面为5mm角的正方形的辅助电极的情况下，辅助电极离BGA图形9.0mm设置时,其误差最小值为3.37%,镀层程均匀化状态。
（2）辅助电极与BGA端部的L0Y =1.5×a间隔的位置上设置，能获得最小误差。辅助电极在这一点上a时，BGA图形的的距离恰在LY。这种（a）大时，采用辅助凸状电极，LY值和L0Y，表示最小误差。另外，辅助凸状电极尺寸大时，BGA图形上产生的电流密度分布的均匀化。
※ 注解{Notation}符号表示方法
a size of auxiliary electrode，mm 电极尺寸 L distance from auxiliary electrode, mm辅助电极的距离
α ACTIVE-AREA DENSITY，dimensionless Ｍ molecular weight, g/mol 分子量
A length of electrode，μm 电极的长度 r radius of rounding, cm圆的半径
d thickness ，μm 厚度 R universal gas constant ,J/K·mol 通用气体恒量
F Faradays constant，96，487C/equiv法拉第恒量 t time, sec时间
H convexity height, cm 凸状电极的高度 T absolute temperature, K 绝对温度
j current density,A/cm2 电流密度 V cross-section area, μm2 十字剖切面积
I current density,A/cm2 电流密度 J0 exchange current density,A/cm2 变换电流密度
l Insulator length ,cm 绝缘体的长度 [Greek]希腊字母
αａ anodic transfer coefficient，无单位 [Subscripts]注脚（下标）
αC cathodic transfer coefficient，无单位 ACT active 活区
ρ density ，g/cm3 比重 ave. average value 平均值
φ electric potential ，V 电位 com. computation 计算
ηS surface over potential ，V 表面电位 exp. experiment 试验
κ conductivity ，S/cm 导电度 max. maximum value 最大值
θ angle of convexity，degree凸状角度 min minimum value 最小值
SUP superficial 表面积
x crosswise direction 十字交叉方向
y lengthwise direction 长度方向
